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Diseño de amplificadores con transistores bipolares de unión




Enviado por wlozano



    Indice
    1.
    Análisis de redes de dos puertos

    2. Aplicaciones de los amplificadores
    con transistores

    3. Acoplamiento de
    amplificadores

    4. Divisor de fase

    1. Análisis de redes de dos
    puertos

    Fórmula de ganancia de impedancia
    Se deriva una relación importante entre las cantidades de
    ca de ganancia de tensión, Av, y de ganancia de
    corriente, Ai.
    La formula de tensión se define como

    y la ganancia de corriente como

    La ecuación (3.1) se llama formula de ganancia de
    impedancia y se utiliza a lo largo de este texto.

    Parámetros híbridos
    En un sistema de cuatro
    terminales existen cuatro variables de
    circuito: la tensión y la corriente de entrada, y la
    tensión y corriente de salida. Estas cuatro variables se
    pueden relacionar por medio de algunas ecuaciones,
    dependiendo de cuales variables se consideren independientes y
    cuales dependientes.
    El par de ecuaciones de
    parámetros híbridos (parámetros h) (y su
    circuito equivalente) se utiliza a menudo para análisis de circuitos con
    BJT.

    Cuando se utilizan los parámetros h para
    describir una red de
    transistores,
    el par de ecuaciones se escribe como sigue:
    Donde los parámetros h se definen como:
    hi = h11 = resistencia de
    entrada del transistor
    hr = h12 = ganancia de tensión
    inversa del transistor
    hf = h21 = ganancia directa de corriente
    del transistor
    h0 = h22 = conductancia de salida del
    transistor

    Cuando los parámetros h se aplican a redes de transistores, toman
    un significado práctico en relación con el desempeño del transistor.
    Cuando los parámetros de entrada y de salida se igualan en
    forma individual a cero, cada parámetro híbrido
    representa ya sea
    una resistencia, una
    conductancia , una razón de dos tensiones o una
    razón de dos corrientes.

    Es muy útil cd contar con
    alguna forma de distinguir entre las tres configuraciones, es
    decir, EC, CC y BC. Se añade un segundo subíndice a
    cada parámetro híbrido para proporcionar esta
    distinción. Por ejemplo, un circuito en EC suele tener
    hi en el circuito de base, y se cambia a
    hie. De manera similar para BC, hi se
    cambia por hib, y para CC, se cambia a hic.
    Los tres valores se
    relacionan entre sí como sigue

    El valor real de
    es función
    del punto de operación (ICQ) del transistor es. En
    la porción plana de la curva de iC contra
    vCE con iB constante, el cambio en
     es pequeño. Conforme el transistor se aproxima a
    la saturación,  empieza a caer. A medida que el
    transistor se aproxima a corte,  también se
    aproxima a cero.

    Resistencia de entrada en cortocircuito
    Se explora el valor de los
    parámetros antes de abordar la utilización de los
    circuitos
    equivalentes para el diseño
    y análisis. Primero se desarrollan las ecuaciones para
    hie y hib, que muestran la dependencia de
    estos parámetros respecto a la ubicación del punto
    de operación.

    La ecuación anterior es útil para estimar
    el valor de hib.

    Parámetros en EC
    Las ecuaciones que definen los parámetros de
    amplificación en ca se resumen en la tabla 3.1 y se
    derivan en las siguientes secciones. Obsérvese que la
    tabla proporciona dos ecuaciones de definición para cada
    parámetro. Estas se denominan como forma larga y forma
    corta. La ecuación en forma corta es una versión
    simplificada de la ecuación en forma larga y se deriva
    haciendo suposiciones acerca de los tamaños relativos de
    algunos de los parámetros. Se anotan suposiciones
    necesarias conforme se deriva cada ecuación; las
    suposiciones se encuentran en la tabla.

    Resistencia de entrada, Ren
    Se utiliza el
    circuito de parámetros híbridos para derivar la
    ecuación de la resistencia de entrada para cada tipo de
    configuración del amplificador. En circuito equivalente de
    la figura 3.5 (b) se utiliza para derivar la resistencia de
    entrada, Ren. En general, b es bastante grande para aproximar 1
    + b como
    b . La corriente en
    RE es, por tanto, aproximadamente igual a
    b
    ib.

    (3.10)

    Si RB es despreciable comparada con
    b RE, la
    ecuación (3.10) se puede simplificar más hacia la
    forma.
    Ganancia de tensión, Av
    La relación
    de división de corriente aplicada a la salida de la figura
    3.5(b) da

    El signo negativo resulta de la dirección opuesta de b ib con respecto a
    iL. Entonces

    (3.12)

    Ganancia de corriente, Ai
    La ganancia de
    corriente se encuentra a partir de la formula de ganancia de
    impedancia, ecuación (3.1).

    Resistencia de salida, R0
    La fuente de
    corriente ideal exhibe una impedancia infinita, ya que se mide la
    resistencia de salida como la entrada en circuito abierto (es
    decir, ib = 0). La resistencia de salida para el
    transistor EC es entonces

    Por lo general, el parámetro hoe es
    bastante pequeño como para ser despreciado en los
    cálculos, de modo que la magnitud de la resistencia de
    salida del transistor se vuelve infinita.

    Alinealidades de los BJT
    En la sección 2.4.2 se vio que un transistor opera en
    forma lineal excepto en las regiones de corte y
    saturación. La operación en estas regiones o cerca
    de ellas provoca una reproducción distorsionada de la
    señal de entrada. Por tanto, se deben evitar las regiones
    sombreadas.

    Parámetros para el amplificador CC (ES)
    Resistencia de entrada, Ren
    El circuito ES
    (emisor-seguidor) se muestra en la
    figura 3.10. Como antes, C1 y C2 se
    consideran cortocircuitos para frecuencias medias.
    Ren = RB

    Ganancia de tensión, Av
    La ganancia
    de tensión esta dada por
    Si hib es pequeña comparada con
    RE ç
    ç RL,
    como es común, se obtiene la expresión en forma
    corta
    Av = 1

    Ganancia de corriente, Ai
    Como
    Ai = RB/RL

    Resistencia de salida, R0
    La resistencia
    de salida depende de los parámetros de entrada
    Rs y RB, a diferencia del resultado para el
    amplificador EC, donde R0 depende solo de
    RC.

    Parámetros para el amplificador BC
    El circuito BC se dibuja a menudo con orientación
    horizontal, como se ve en la figura 3.12(a). Sin embargo, el
    circuito es más fácil de entender cuando se dibuja
    como la figura 3.12(b). De esta configuración, es
    fácil ver que la polarización es idéntica a
    la del amplificador EC.

    Resistencia de entrada, Ren
    La
    ecuación en forma larga para Ren se deriva en
    seguida. La corriente en Ren es ien +
    (1+b
    )ib.

    (3.25)

    La ecuación en forma corta se obtiene suponiendo
    que hib << RE y RB
    << b
    RE. Entonces
    Ren = hib +
    RB/b
    (3.26)

    Ganancia de corriente, Ai
    La ganancia de
    corriente para el circuito de la figura 3.13 se encuentra de la
    siguiente forma:

    (3.27)

    Entonces, si RB << b RE y hib
    << RE, se obtiene la expresión en forma
    corta de la ecuación (3.28)

    Ganancia de tensión, Av
    La formula
    de ganancia de impedancia de la ecuación (3.1) se utiliza
    para encontrar Av. Se usan Ai de la
    ecuación (3.27) y Ren de la ecuación
    (3.25) para obtener la expresión en forma larga de la
    ecuación
    No se puede simplificar más la ecuación (3.29) ya
    que hib es aproximadamente igual a
    RB/b
    . Si se añade un capacitor de paso entre base y
    tierra,
    RB/b
    se elimina de la ecuación (3.29) y la
    expresión se simplifica a

    Resistencia de salida, R0
    Como en el caso
    del amplificador EC, el generador de corriente
    dependiente, b
    ib, presenta una resistencia elevada por
    tanto,
    R0 = RC

    2. Aplicaciones de los
    amplificadores con transistores

    Se ha encontrado que el amplificador EC posee ganancias
    de tensión y de corriente significativas con altas
    impedancia de entrada y salida. La impedancia de entrada alta es
    deseable, mientras que la impedancia de salida alta tiene algunos
    problemas.
    Notése que a mayor impedancia de salida, menor es la
    corriente que se puede extraer del amplificador sin que haya una
    caída significativa en la tensión de salida. En ese
    se utiliza más para amplificación de
    tensión. Puede proporcionar una exclusión grande en
    la tensión de salida, que se convierte en la entrada de la
    siguiente etapa del sistema

    El amplificador ES (CC) proporciona ganancia de
    corriente alta con impedancia de salida baja. Se puede utilizar
    como una especie de compuerta de potencia entre un
    EC y una carga que demandante corriente. El CC es un amplificador
    de potencia y
    también una etapa de acoplamiento de impedancia. Este
    amplificador se encuentra normalmente en la etapa final de salida
    de un amplificador de señal, pues no sólo baja el
    valor de la impedancia sino que proporciona la potencia necesaria
    para excitar la carga.

    El amplificador BC tiene una impedancia de entrada baja
    y una impedancia de salida relativamente alta. El BC se pueden
    utilizar como amplificador de tensión. Este amplificador
    es menos sensible a la frecuencia que los otros tipos de
    amplificador, y se utiliza a menudo entre circuitos
    integrados para proporcionar una salida con intervalo amplio
    de frecuencia.

    3. Acoplamiento de
    amplificadores

    Cuando un sistema está compuesto por más
    de una etapa de transistores, es necesario conectar, o acoplar,
    los transistores entre sí. Existen muchas formas comunes
    de lograr esta interpretación entre amplificadores. En las
    siguientes secciones se analizan los acoplamientos directo,
    capacitivo, por transformador y óptico.

    Acoplamiento directo
    Dos amplificadores están acoplar es directamente si la
    salida del primer amplificador se conecta en forma directa a la
    entrada del segundo sin utilizar capacitores.
    La salida en ca de la primera etapa está superpuesta con
    el nivel de cd
    estático de la segunda etapa. El nivel de cd de la salida
    de la etapa anterior se suma al nivel de cd de
    polarización de la segunda etapa. Para compensar los
    cambios en los niveles de polarización, en amplificador
    utiliza diferentes valores de
    fuentes de
    tensión de cd en lugar de una fuente de Vcc
    sencilla.

    El acoplamiento directo se pueden utilizar de manera
    efectiva al acoplar en amplificador EC a uno ES. El amplificador
    acoplado directamente tiene una buena respuesta en frecuencias
    pues no existen elementos de almacenamiento en
    serie (es decir, sensibles a la frecuencia) que afecten la
    señal de salida en baja frecuencia.

    Acoplamiento capacitivo
    Constituye la forma más simple y efectiva de desacoplar
    los efectos del nivel de cd de la primera etapa amplificador, de
    aquellos de la segunda etapa. En capacitor separa el componente
    de cd de la señal de ca. Por tanto, la etapa anterior no
    afecta la polarización de la siguiente. Para asegurar que
    la señal no cambie de manera significativa por la
    adición de un capacitor, es necesario que esté se
    comporte como cortocircuito para todas las frecuencias a
    amplificar.

    Acoplamiento por transformador
    Se puede utilizar un transformador para acoplar dos etapas del
    amplificador. Este tipo de acoplamiento se utiliza a menudo
    cuando se amplifican señales de alta frecuencia. Los
    transformaciones son más costosos que los capacitores,
    aunque sus ventajas pueden justificar el costo adicional.
    A través de una elección adecuada de la
    razón de vueltas, se puede utilizar un transformador para
    aumentar ya sea la ganancia de tensión o bien la de
    corriente fondo. Por ejemplo, encina etapa de salida de el
    amplificador vez potencia, en transformador se utiliza para
    aumentar la ganancia de corriente. Existen otros beneficios
    asociados con el uso de un transformador. Por ejemplo, el
    transformador se puede sintonizar para resonar de manera que se
    convierta en un filtro pasa-banda (filtro que pasa las
    frecuencias deseadas y atenúa las frecuencias que quedan
    fuera de la banda requerida).

    Acoplamiento óptico
    Muchas aplicaciones requieren el acoplamiento óptico de
    circuitos electrónicos. Estas aplicaciones se pueden
    clasificar como sigue:
    – dispositivos sensibles a la luz y emisores de
    luz.
    – detectores y emisores discretos para sistemas de
    fibra
    óptica.
    – módulos interruptor/ reflector que detectan objetos que
    modifican la trayectoria de la luz.
    – aisladores /acopladores que transmiten señales
    eléctricas sin conexiones eléctricas.

    4. Divisor de
    fase

    El divisor de fase, mostrado en la figura 3.22, es un
    amplificador que simultáneamente es EC y sesenta. Se
    eligen Rc = RE = RL tal y la tensión
    de salida en el colector tenga igual magnitud que la
    tensión de salida en emisor, pero estas tensiones se
    hallan 180°
    fuera de fase. Las dos señales de salida de este
    circuito son aproximadamente iguales en amplitud a la
    señal de entrada: esto está, las razones de
    ganancia de tensión son aproximadamente iguales a uno, en
    magnitud. Las dos salidas resultantes de una entrada sonoridad se
    muestra en la
    figura. En el emisor, la salida está en fase con la
    señal de entrada, mientras que la salida de colector
    estaciones 180°
    fuera de fase con la señal de entrada.

    Análisis del amplificador multietapa
    A menudo los amplificadores se conectan en serie (cascada), como
    se muestra en la figura 3.23. La carga en el primer amplificador
    es la resistencia de entrada del segundo amplificador. No es
    necesario que las diferentes etapas tengan las mismas ganancias
    que tensión y de corriente. En la práctica, las
    etapas iniciales suelen ser amplificadores de tensión y la
    última o las dos últimas son amplificadores de
    corriente. La ganancia en una etapa se determina por la carga de
    ésta, que se gobierna por la resistencia de entrada de la
    siguiente etapa. Por tanto, cuando se diseñan o analizan
    amplificadores multietapa, se inicia en la salida y se
    continúa hacia la entrada.

    Dispositivos de cuatro capas
    Se han analizado dispositivos de dos capas (diodo) y de tres
    capas (transistores). El éxito
    de los dispositivos de tres capas, como el BJT y el transistor de
    efecto de campo (FET, field-effect transistor) condujo a los
    investigadores al concepto del
    dispositivo de cuatro capas. Con la capacidad de manufactura
    aumentada, los dispositivos de cuatro capas no presentan mayores
    problemas de
    fabricación.

    Rectificador controlado de silicio (SCR)
    El rectificador controlado de silicio (SCR, silicon-controlled
    rectifier) es un dispositivo de cuatro capas (pnpn) con características de conmutación muy
    utilies. Se trata de un miembro de la familia de
    tiristores y se utiliza en controles de relevadores,
    calentamiento por inducción, limpieza ultrasónica y
    circuitos de control. Los SCR
    se pueden construir para control de
    potencia en la región de megawatts y soportan corrientes
    hasta de 1500 A a 2000 V. Los intervalos de frecuencia
    están un poco limitados, pero algunos SCR son capaces de
    trabajar a frecuencias de hasta 50 kHz.

    Conmutador controlado de silicio (SCS)
    El conmutador controlado de silicio (SCS silicon-controlled
    switch) se
    construye en forma similar al SCR excepto que ambas capas
    centrales se conectan a compuertas; una se denomina compuerta de
    ánodo y la otra, compuerta de cátodo.

    DIAC y TRIAC
    El DIAC, o diodo de disparo, es un dispositivo de dos terminales
    que se puede disparar en cualquier dirección. El dispositivo opera en la
    región inversa y la ruptura se produce en cualquier
    dirección cuando la tensión aumenta hasta el nivel
    necesario. Estos dispositivos se utilizan a menudo en el circuito
    de compuerta de un SCR para empezar la acción de
    compuerta.
    El TRIAC es similar al DIAC excepto que tiene una terminal de
    compuerta para controlar el encendido para cualquier polaridad de
    tensión entre los dos ánodos.

     

     

    Autor:

    Alberto Guillermo Lozano Romero

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